مقاله کاربرد نانوتکنولوژی در تولید ترکیبات و افزودنی های غذایی سالم

بخشی از مقاله

چکیده

هدف از فرآوری مواد غذایی و افزودنیها در مقیاس نانو توسعه عطر و طعم، بافت، کنترل رهایش طعم، بهبود ویژگیهای حسی و    همچنین افزایش جذب و زیست دسترس پذیری موادمغذی و مکملهاست. روشهای ساخت نانوذرات به روش مکانیکی شامل روشهای هموژنیزاسیون - همزنی دور بالا، فشار بالا، سونیکاسیون - ، اتمیزاسیون - پاششی، الکترواسپری - ، آسیابی، روزن رانی و سیال فوق بحرانی می باشد.

نانومواد کاربردی رایج در غذا شامل ترکیبات آلی - معمولا طبیعی - - پپتیدها، آمینو اسیدها، روغن های ضروری، مواد عطری، رنگدانهها، ویتامینها و آنتی اکسیدانهای محلول در چربی، اسیدهای چرب غیر اشباع، پلی ساکاریدهای قابل و غیر قابل هضم - ، مواد و اکسیدهای معدنی - آهن، کلسیم، روی، تیتانیوم - ، میکروارگانیسمها - پروبیوتیکها - و    برخی افزودنیها - آنتی اکسیدانها، رنگهای سنتزی، نگهدارندهها - میباشند. جذب بیشتر و قابلیت دسترسی بیولوژیک افزودنیهای خاصی نظیر نگهدارندهها و برخی نانواکسیدهای فلزی میتواند خطر بیشتری برای سلامت مصرف کننده ایجاد کند.

مسیر اصلی ورود ذرات میکرو یا نانو به روده از طریق مصرف مواد غذایی و نوشیدنیهاست و تاثیر آنها بر سلامت به ماهیت فیزیکو-شیمیایی نانو مواد در محصولات غذایی و میزان و مدت مواجهه مصرف کنندگان با مصرف غذاهای نانو بستگی دارد. نگرانی اصلی در مورد به کارگیری نانومواد نامحلول، غیر قابل هضم و مقاوم زیستی در غذاها است که ممکن است ریسک سلامتی برای مصرف کننده ایجاد کند. از این رو مواد محلول و قابل هضم و مواد غیرمقاوم از قبیل نانوساختارهای غذایی و نانو امولسیونها، برای نوآوری های تکنولوژیکی در بخش غذای سالم مناسب میباشند.

مقدمه

علم نانو بخشی از علم با قابلیت تولید محصولات و فرآیندهای جدید است. مفاهیم در علوم نانو چارچوب صحیحی برای درک روابط متقابل اجزای مواد غذایی با ریز ساختارها ارائه میدهند که بر روی ساختار مواد غذایی، مشخصات و ویژگیهای عملکردی در مقیاس ماکروسکوپی اثرگذار است. اصطلاح نانوغذا در واقع غذایی را توصیف می کند که با استفاده از روشها یا ابزارهای فناوری نانو و یا مواد افزودنی نانومتری کشت، تولید، فرآوری و یا بسته بندی شده اند.مروری بر تحولات اصلی نانوغذاها نشان می دهد که نانوغذاها عمدتا در بسته بندی و نگهداری مواد غذایی اهمیت داشته اند.

پیشرفت فرآیند های تولید نانو ساختار هایی با فرمولاسیون مناسب، امکان تولید و تثبیت نانو ذراتی را فراهم کرده که دارای کاربرد های گسترده در صنایع غذایی و صنایع مرتبط است. نانوتکنولوژی می تواند جهت تغییر محصولات غذایی به محصولاتی موثرتر برای انتقال مواد مغذی، پروتئین ها و آنتی اکسیدان ها به بدن نیز به کار گرفته شود.

کاربردهای فعلی و کوتاه مدت نانوتکنولوژی در بخش مواد غذایی شامل ترکیبات نانوذره یا نانو انکپسوله شده و افزودنی ها برای غذا، نوشیدنی و کاربردهای سلامتی بخش غذاست. با توجه به علاقه روزافزون به توسعه غذاهای عملگرا - غذاهایی با عملکرد فیزیولوژیکی و تأمین کننده مواد مغذی - کنترل خواص اجزای موجود در غذا در زمانهای اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده است.

هدف فرآوری مواد غذایی و توسعه ی ترکیبات غذایی نانوذره و افزودنیها افزون بر فواید دیگرشان مانند بهبود طعم، غلظت، ثبات، بافت، احساس جدید و کنترل ایجاد طعمها و ... ، افزایش جذب و زیست دسترسی موادمغذی و مکملها در بدن است. با این حال، جذب بیشتر و قابلیت دسترسی بیولوژیک ترکیبات خاصی نظیر نگهدارندهها میتواند خطر بیشتری برای سلامت مصرف کننده ایجاد کند و این امر باید از طریق تحقیق بیشتر مورد بررسی قرار گیرد. این بررسی به رویکردهای موجود در زمینه فناوری نانوافزودنیهای قابل استفاده در غذا میپردازد و آنها را به تحولات جاری تبدیل میکند که میتواند تأثیر قابل توجهی بر غذاهای آینده داشته باشد . - Sanguansri & Augustin, 2006 -

روشهای ساخت نانوذرات

بطور کلی روش های ساخت ذرات معمولا به دو دسته اصلی تقسیم می شوند: روش های فیزیکوشیمیایی - پایین به بالا - و روش های مکانیکی - بالا به پایین - . روشهای فیزیکوشیمیایی عمدتا بر مبنای مونتاژ مولکول یا ذرات کلوئیدی به ذرات بزرگتر بصورت خود به خودی یا مستقیم عمل میکنند . از سوی دیگر روش های مکانیکی عمدتا بر اساس استفاده از تجهیزات پردازش خاص طراحی شده برای ایجاد ذرات کوچک از مواد بزرگتر مانند روشهای هموژنیزاسیون، آسیاب کردن، پاشش و خشک کردن میباشند . - McClements, 2014; Sanguansri, 2006 -

-1 روش های هموژنیزاسیون

در ابتدا دستگاههای مکانیکی برای ایجاد پراکندگی کلوئیدی از دو مایع ناسازگار و یا برای کاهش اندازه ذرات در پراکندگیهای کلوئیدی ایجاد شد. این دستگاهها معمولا برای تهیهی امولسیونها استفاده میشوند اما آنها همچنین میتوانند برای ایجاد انواع دیگر سیستم های تحویل کلوئیدی استفاده شوند، برای مثال آسیاب مرطوب سوسپانسیون ذرات جامد. تعدادی از انواع مختلف هموژنایزر ها برای ایجاد پراکندگی کلوئیدی با هر نوع دارای مزایا و معایب خاص خود برای کاربرد های خاص توسعه داده شده است . - McClements, 2014 -

-1-1 همزنی دور بالا

همزن های دور بالا یکی از پر استفاده ترین روشها برای هموژنیزاسیون فاز روغن و آب برای تشکیل امولسیون های درشت با قطرات نسبتاً بزرگ هستند. همچنین ممکن است به منظور تشکیل پراکندگیهای کلوئیدی از دیگر مواد اولیه مانند مخلوط های بیوپلیمری فاز جدا شده نیز مورد استفاده قرار بگیرد که سیستمهای آب در آب - w/w - یا روغن در آب در آب - o/w/w - نیز خوانده می شوند . - McClements, 2014 -

-2-1 هموژنایزر فشار بالا

هموژنایزر سوپاپ فشار بالا - HPVH - یکی از روش های گسترده مورد استفاده جهت تولید امولسیون هایی با قطرات کوچک است. HPVH ها در کاهش اندازه ذرات امولسیون های موجود کارآمد تر از مخلوط کردن دو مایع جداگانه هستند . - McClements, 2014 -

-3-1 سونیکاسیون

هموژنایزر های اولتراسونیک از شدت بالا و امواجفشار با نوسان سریع جهت شکستن قطرات بزرگتر به کوچکتر عمدتاً از کاویتاسیون و اثرات آشفته استفاده می کنند. هموژنایزر های اولتراسونیک برای تولید امولسیونها از مایعاتی با ویسکوزیته پایین و متوسط مناسب ترین هستند . - McClements, 2014 -

-2 اتمیزاسیون

این گروه از روش ها شامل دستگاههای مکانیکی است که ذرات را از طریق فرایند اتمیزه سازی ایجاد میکنند که معمولا شامل شکستن یک مایع فشرده به یک سری از قطرات کوچک می باشد . - McClements, 2014 -

.1-2 اتمیزاسیون پاششی

روش های خشک کردن پاششی سال ها بطور صنعتی مورد استفاده قرار گرفته اند تا اشکال پودر مواد فعال از راه حل کردن مایع و سوسپانسیون تولید شود. این روش برای تولید مقادیر مقرون به صرفه از مواد غذایی مناسب است و تجهیزات در حال حاضر به طور گسترده ای در صنایع غذایی استفاده می شود. خشک کردن پاششی برای انکپسوله کردن انواع بسیاری از ترکیبات غذایی فعال، شامل طعم مزه، رنگها، ویتامینها، ترکیبات مغذی دارویی و پروبیوتیک ها استفاده می شود.

در سرد کردن پاششی، یک مایع گرم به یک اتاق سرد پاشیده می شود، که باعث تبدیل قطرات مایع کوچک به ذرات جامد می شوند که به هنگام افتادن به پایین مجرا جمع آوری می شوند. همانند خشک کردن پاششی، امکان استفاده از انواع مختلف اتمایزر ها جهت تشکیل غبار از قطرات مایع همانند اتمایزر های چرخنده یا اتمایزر های پاششی نازل وجود دارد - McClements, . - 2014

.2-2 اتمیزاسیون الکترواسپری

ذرات کلوئیدی مناسب جهت کاربرد در سیستم های تحویل می تواند با استفاده از روش الکترو اسپری شکل گیری شوند. تحقیقات نشان داده اند که هر دو نانوذرات و میکروذرات ممکن است با استفاده از الکترواسپریینگ ساخته شود. در این حالت، ماده ای که به صورت پودری تبدیل می شود، در یک حلال مناسب حل می شود و سپس در یک دستگاه تزریق - نازل - قرار می گیرد که در فاصله دور از یک صفحه ی جمع آوری قرار می گیرد. سپس بین نازل و صفحه جمع آوری یک پتانسیل الکتریکی بالا به کار برده می شود که یک جریان از محلول در نتیجه تاثیرات الکتریکی از نازل بیرون می کشد.

تحت شرایط مناسب، جریان مایع به قطرات کوچک باردار مایع تجزیه می شود که به سرعت به ذرات جامد که از میان هوا و بخارات حلال عبور میکنند تبدیل میشود. ذرات جامد حاصل در صفحه جمع آوری انباشته میشوند که میتوانند زدوده یا ساییده شده و جمع آوری شوند. اندازه ذرات تولید شده می تواند به وسیله تنظیم کردن سرعت جریان مایع، ولتاژ به کار گرفته و شرایط محلول کنترل شود . - McClements, 2014 -

.3 روشهای آسیاب کردن

بعضی از سیستم های تحویل کلوییدی از طریق شکستن توده مواد جامد یا ذرات جامد بزرگ با استفاده از دستگاه های تخصصی مکانیکی آسیاب کردن ایجاد میشوند. دستگاه های آسیاب قادر به تولید ذرات ریز از مواد خشک - مانند فازهای تودهای یا پودرها - یا از موادغذایی مرطوب - مانند سوسپانیون ذرات جامد در مایعات - هستند.